[發(fā)明專利]基于超聲背散射信號遞歸定量分析的CFRP孔隙率表征方法

有效

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• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107356678B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林莉;何曉晨;金士杰;丁珊珊;羅忠兵
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所有限公司 21208
• 代理人: 花向陽;楊翠翠

一種基于超聲背散射信號遞歸定量分析的CFRP孔隙率表征方法，其屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。該方法采用一套包括超聲波探傷儀、延遲塊探頭及數(shù)字示波器構(gòu)成的超聲信號采集系統(tǒng)，采集超聲背散射信號并對其進行相空間重構(gòu)。計算相空間中任意兩個時間向量之間的距離，設(shè)定參考閾值，獲得二維遞歸矩陣，將其圖像化得到遞歸圖(Recurrence Plot，RP)。使用RQA量化指標(biāo)遞歸度(Recurrence Rate，RR)對RP圖進行定量計算，最終建立CFRP孔隙率P與RR二者之間的相關(guān)關(guān)系，即RR＝aP^?1，實現(xiàn)孔隙率的表征。與超聲衰減法相比，該方法克服底面回波不存在或較弱時無法表征孔隙率的限制，具有良好的推廣前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于超聲背散射信號遞歸定量分析的CFRP孔隙率表征方法，其屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

CFRP具有性能可設(shè)計、高比強度和比剛度、疲勞性能好、耐腐蝕、可整體成型等優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。CFRP加工制備過程中不可避免的會有孔隙產(chǎn)生，完全不含孔隙的CFRP是不存在的。孔隙含量由孔隙率來表征。孔隙率對CFRP的力學(xué)性能有很大影響。研究指出，每增加1％的孔隙率，復(fù)合材料的層間剪切性能下降5％～15％不等，直到孔隙率達(dá)到4％，這種規(guī)律基本保持不變；隨著孔隙率的增加，彎曲強度逐漸下降，在孔隙率小于1％時，彎曲性能相差不大，彎曲強度的保持率為90％左右，當(dāng)孔隙率大于3％時，彎曲強度的下降趨勢趨于平緩，彎曲強度保持率大約只有75％。當(dāng)孔隙率超過一定的數(shù)值時，復(fù)合材料就會由于強度的急劇下降而失效。另外，復(fù)合材料的其它性能如縱/橫向拉伸強度、彎曲強度、模量、抗壓強度、疲勞極限等均受到孔隙率的影響。在實際應(yīng)用中，孔隙率<2％時可滿足大多數(shù)工程應(yīng)用需求。因此，迫切需求可靠的CFRP孔隙率無損檢測方法。

目前CFRP孔隙率無損檢測方法主要包括超聲檢測法、射線檢測法等。與射線檢測法相比，超聲檢測法具有檢測靈敏度高、速度快、使用范圍廣、顯示直觀、對孔隙比較敏感等優(yōu)點，因此在復(fù)合材料孔隙檢測方面得到了最為廣泛的應(yīng)用。超聲檢測主要包含超聲聲速法、超聲聲阻抗法、超聲衰減法以及對比試塊法等。超聲聲速法、超聲聲阻抗法等存在對檢測系統(tǒng)的分辨率要求很高、聲速和密度測量的準(zhǔn)確性較低等缺點，導(dǎo)致其適用性很低。超聲衰減法具有檢測原理明確、測試方法簡單、受纖維含量影響較小等優(yōu)點，是目前最常用的孔隙率無損檢測方法，但其受底面回波限制，CFRP復(fù)雜結(jié)構(gòu)件中出現(xiàn)底面回波不存在或較弱的情況時無法使用。而對比試塊法由于對比試塊的制作難度較高，且制作工藝的差異會導(dǎo)致無法建立孔隙率與超聲衰減系數(shù)的通用曲線，故其適用性低。

超聲背散射信號是由CFRP內(nèi)部孔隙對入射聲波的散射形成的，故其中包含大量的孔隙形貌信息，因此，從超聲背散射信號入手，對CFRP孔隙率的無損檢測具有重要意義。本發(fā)明引入遞歸定量分析方法對超聲背散射信號進行分析，建立CFRP孔隙率與遞歸度之間的相關(guān)關(guān)系，從而實現(xiàn)CFRP孔隙率的表征。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于超聲背散射信號遞歸定量分析的CFRP孔隙率表征方法，該方法采用一套包括超聲波探傷儀、延遲塊探頭及數(shù)字示波器構(gòu)成的超聲信號采集系統(tǒng)對超聲背散射信號進行采集，對其進行相空間重構(gòu)，通過計算相空間中任意兩個時間向量之間的距離，并設(shè)定參考閾值，得到一個二維的遞歸矩陣并將其圖像化得到RP圖，使用RQA量化指標(biāo)遞歸度(Recurrence Rate，RR)對RP圖進行定量計算。最終建立CFRP孔隙率P與RR二者之間的相關(guān)關(guān)系，實現(xiàn)孔隙率的表征。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于超聲背散射信號遞歸定量分析的CFRP孔隙率表征方法，采用一套包括超聲波探傷儀、延遲塊探頭及數(shù)字示波器構(gòu)成的超聲信號采集系統(tǒng)，使用RQA方法分析采集得到的超聲背散射信號，經(jīng)計算建立RQA量化指標(biāo)遞歸度與孔隙率P二者之間的相關(guān)關(guān)系，即RR＝aP^-1，實現(xiàn)CFRP孔隙率的表征，具體的計算步驟如下：

(1)超聲背散射信號的采集